生物分子荷質(zhì)傳遞機(jī)理及其調(diào)控的理論研究.pdf

1、電子轉(zhuǎn)移、空穴轉(zhuǎn)移和質(zhì)子轉(zhuǎn)移是生命科學(xué)的基本問題。許多生命過程都涉及到質(zhì)子和電子的傳遞問題，例如，光合作用、呼吸作用、生物體內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)、酶促反應(yīng)和基因復(fù)制及突變等等。那么電子在生物體內(nèi)怎樣有效傳遞，電子運(yùn)動(dòng)和質(zhì)子運(yùn)動(dòng)的關(guān)系怎樣，生物金屬離子對(duì)二者的運(yùn)動(dòng)怎樣調(diào)制，蛋白質(zhì)能否導(dǎo)電，怎樣有效參與電子傳遞？這一系列問題都是目前人們十分關(guān)注的生命問題，也是目前生命科學(xué)所遇到的難題。本文圍繞這些問題，開展了一系列有意義的工作，取得了一些有價(jià)值的研究

2、成果。主要成果和創(chuàng)新簡(jiǎn)述如下： （1）水合金屬離子調(diào)控酰胺單元間的荷質(zhì)傳遞：本文第一個(gè)突出貢獻(xiàn)就是在氧化破壞的酰胺單元間可以通過七元環(huán)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移機(jī)制有效地發(fā)生質(zhì)子和電子交換，電子在兩個(gè)氧原子間發(fā)生轉(zhuǎn)移，同時(shí)一個(gè)質(zhì)子在兩個(gè)氮原子之間以相同方向發(fā)生轉(zhuǎn)移。眾所周知，酰胺單元是蛋白質(zhì)肽鏈骨架的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)也廣泛存在于其他生物分子中，如天冬酰胺、谷氨酰胺、鳥嘌呤、胸腺嘧啶/尿嘧啶以及黃素等。我們進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這種有效的質(zhì)

3、子和電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)制也可以發(fā)生在這些生物分子間。更有趣的是金屬離子及其水合物與其雙氧位結(jié)合，能夠有效地調(diào)節(jié)電子轉(zhuǎn)移通道，從而導(dǎo)致不同的反應(yīng)機(jī)制，使反應(yīng)機(jī)制在單通道氫原子轉(zhuǎn)移（）質(zhì)子耦合雙通道電子轉(zhuǎn)移H質(zhì)子耦合單通道電子轉(zhuǎn)移中變化，最終控制反應(yīng)速率。這種調(diào)控性主要源自于不同結(jié)合能力的水合金屬離子導(dǎo)致過渡態(tài)兩個(gè)氧原子的結(jié)合強(qiáng)度的改變?？偟膩碚f，結(jié)合能力較小的水合金屬離子支持質(zhì)子耦合單通道電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合能力較大的支持氫原子轉(zhuǎn)移，結(jié)合能力中等的

4、支持質(zhì)子耦合雙通道電子轉(zhuǎn)移。這是一個(gè)普遍的規(guī)律，任何一個(gè)水合金屬離子與底物結(jié)合都會(huì)使反應(yīng)機(jī)制坐落在這三個(gè)不同的區(qū)域。我們研究發(fā)現(xiàn)底物與金屬離子的結(jié)合能、反應(yīng)能壘、自旋密度分布、O...O的距離和水合金屬離子的性質(zhì)之間存在良好的相關(guān)性，這種相關(guān)性可以很好地解釋酰胺單元間的質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的變化。也就是說電子轉(zhuǎn)移途徑與水合物離子的結(jié)合能存在著高度的相關(guān)性。這一發(fā)現(xiàn)不僅為進(jìn)一步理解生命過程中金屬離子調(diào)節(jié)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制提供理論依據(jù)，而且還為設(shè)計(jì)

5、納米分子開關(guān)提供理論基礎(chǔ)。 （2）金屬離子調(diào)控酰亞胺單元的自由基類型（σ或π）和電子通道（σ或π）對(duì)酰胺單元間的質(zhì)子/電子交換反應(yīng)另一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)就是水合金屬離子可以通過改變含酰亞胺單元分子的自由基的類型（σ-或π-自由基），使電子轉(zhuǎn)移通道發(fā)生變化，從而調(diào)控反應(yīng)機(jī)制。酰亞胺單元存在于許多生物化學(xué)物種內(nèi)，例如，尿嘧啶、苯并尿嘧啶、萘并尿嘧啶、黃嘌呤、氧化黃素和胸腺嘧啶等等。這些生物化學(xué)物種可能會(huì)在分子探針和納米電子裝置上得到廣泛應(yīng)用

6、；它的自由基是一些輔因子氧化還原活性中心的重要組成部分，是生物酶反應(yīng)、DNA/蛋白質(zhì)損傷過程中電子轉(zhuǎn)移的中介。 尿嘧啶是酰亞胺單元一種有代表性的物種，為此，我們利用密度泛函方法考察了尿嘧啶和N3-脫氫尿嘧啶自由基耦合結(jié)構(gòu)（UU）的質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移機(jī)理（UU是近平面順式的結(jié)構(gòu)），并且考察了水合金屬離子對(duì)其的調(diào)控作用。UU是σ-自由基，沒有其它影響時(shí)，此體系的PT/ET反應(yīng)是通過七元環(huán)質(zhì)子耦合σ-電子σ-通道轉(zhuǎn)移機(jī)理（PCσEσT）

7、，反應(yīng)能壘是3.8kcal/mol，質(zhì)子是由N3到N3轉(zhuǎn)移，電子是由O4到O4轉(zhuǎn)移。水合金屬離子結(jié)合到O2/O2，或O4/O4位點(diǎn)會(huì)改變UU自由基的類型（σ-或π-自由基）和電子轉(zhuǎn)移通道（σ-或π-通道），從而顯著影響PT/ET協(xié)同反應(yīng)，致使反應(yīng)機(jī)理由PCσEσT到PCπEσT，再到PCπEπT變化。這種改變來自于結(jié)合水合金屬離子導(dǎo)致UU體系的單占有軌道（SOMO）和最高雙占居軌道（HOMO）能級(jí)發(fā)生交錯(cuò)，是三個(gè)因素協(xié)同變化的結(jié)果：反應(yīng)

8、物的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、電子云重新分配和金屬離子對(duì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)框架的固定作用。水合金屬離子結(jié)合到O2/O2位點(diǎn)能夠輕微促進(jìn)UU PT/ET反應(yīng)，并且沒有改變自由基類型和PCσEσT機(jī)理，反應(yīng)能壘在3.3kcal/mol到4.7kcal/mol之間。然而，水合金屬離子結(jié)合在O4/O4位點(diǎn)會(huì)抑制反應(yīng)，使體系自由基類型變?yōu)棣?型，反應(yīng)機(jī)理變?yōu)镻CπEσT，相應(yīng)的反應(yīng)能壘升高（8.5～17.8kcal/mol）。在這種情況下，由于電子轉(zhuǎn)移通道的變化，我們發(fā)

9、現(xiàn)兩種PCπEσT機(jī)理：依靠結(jié)合金屬離子的結(jié)合能力，一種電子轉(zhuǎn)移通道是由O2到O2，反應(yīng)能壘較低（8.5～12.2kcal/mol）；另一種電子轉(zhuǎn)移通道是由O4到O4，反應(yīng)能壘高（16.5～17.8kcal/mol）。兩個(gè)水合金屬離子同時(shí)結(jié)合到O2/O2和O4/O4部位也產(chǎn)生類似的抑制影響，反應(yīng)能壘在8.3～15.4kcal/mol范圍內(nèi)變化。 （3）單或多質(zhì)子耦合里德堡電子轉(zhuǎn)移機(jī)理眾所周知，-NH2、-CH2NH2和-CH2N

10、HCH2-是生物體內(nèi)非常重要的片斷，它們?cè)谝幌盗械纳^程中擔(dān)任著非常重要的角色。在多數(shù)情況下，這些堿性片斷很容易被質(zhì)子化成為正電荷中心：-CH2NH3+和-CH2NH2+CH2-。在生物電子傳遞過程中，這些質(zhì)子化的胺單元一個(gè)基本的性質(zhì)就是能夠利用它們的里德堡軌道有效地捕獲過剩電子。然而，這些電子富有的里德堡自由基片斷是不穩(wěn)定的并且容易向其它基團(tuán)釋放一個(gè)氫原子，從而引起蛋白質(zhì)內(nèi)的一系列質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，這一過程與里德堡電子轉(zhuǎn)移相關(guān)。研

11、究這些里德堡片斷參與電子/質(zhì)子傳遞反應(yīng)可以為進(jìn)一步理解蛋白質(zhì)內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移提供有價(jià)值的信息。我們利用從頭算法研究發(fā)現(xiàn)NH4與NH3之間發(fā)生單質(zhì)子耦合里德堡電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移是通過環(huán)繞體系周圍的里德堡軌道傳遞，同時(shí)質(zhì)子在兩個(gè)氮原子之間以相同方向的發(fā)生轉(zhuǎn)移。CH3NH3與CH3NH2也通過類似機(jī)理發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)我們也考察了較大的胺分子束，NH4（NH3）n（n=2，3）和CH3NH3·（NH3）n·NH2CH3（n=1，2，3），質(zhì)子/電

12、子沿著胺分子鏈傳遞是分步進(jìn)行的，每一步都發(fā)生類似的單質(zhì)子耦合里德堡電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，反應(yīng)能壘都很小（小于5.0kcal/mol）。當(dāng)CH3NH3和NH2CH3被水分子鏈連接，與單純的胺分子束相比，CH3NH3和NH2CH3之間的質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)能壘明顯升高。這可能是因?yàn)樵诖诉^程中，單電子的存在形式發(fā)生了變化，由里德堡態(tài)轉(zhuǎn)化為溶劑化態(tài)，這種轉(zhuǎn)化需要消耗一定的能量。更有趣的是溶劑化電子的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)兩個(gè)或者三個(gè)質(zhì)子同時(shí)沿著相同方向運(yùn)動(dòng)。這種反應(yīng)機(jī)

13、理可以被描述為多質(zhì)子耦合里德堡電子轉(zhuǎn)移。這一發(fā)現(xiàn)也證明了溶劑化電子的電荷傳導(dǎo)性。 （4）蛋白質(zhì)內(nèi)酪氨酸與色氨酸之間可能發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制理解酪氨酸與色氨酸之間分子內(nèi)或分子間電子轉(zhuǎn)移有非常重要的物理、化學(xué)和生物意義。因此，我們運(yùn)用密度泛函和從頭算法分子動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)研究了酪氨酸到色氨酸之間所有可能的電子傳遞機(jī)理。研究表明，當(dāng)這兩個(gè)氨基酸芳香側(cè)鏈相互靠近時(shí)，側(cè)鏈發(fā)生相互碰撞，他們之間發(fā)生直接的質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。在Trp·+Gly

14、nTyrH（n=0，1，2，…）系統(tǒng)中，當(dāng)酪氨酸和色氨酸的芳香側(cè)鏈相互遠(yuǎn)離，并且有一個(gè)生物堿（以甲胺為模型）與苯酚以氫鍵相連接時(shí)，這樣整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生雙向質(zhì)子耦合長(zhǎng)程電子跳躍機(jī)理反應(yīng)。在這個(gè)反應(yīng)中，酪氨酸是電子的給體，色氨酸是電子的受體，酪氨酸是質(zhì)子的給體，甲胺是質(zhì)子的受體，酪氨酸的一個(gè)電子發(fā)生跳躍傳給遠(yuǎn)距離的色氨酸陽(yáng)離子，同時(shí)苯酚的羥基釋放一個(gè)質(zhì)子，傳給距離較近的甲胺，在這個(gè)過程中質(zhì)子和電子傳遞的方向不同。更有趣的是，在Trp·+Glyn

15、TyrH-A（n=0，1，2，…）系統(tǒng)中，甲胺作為質(zhì)子受體協(xié)助從酪氨酸到色氨酸陽(yáng)離子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移需要越過的反應(yīng)能壘比較低（小于5.0 kcal/mol），并且反應(yīng)能壘受中間甘氨酸的數(shù)目影響很小。這一結(jié)果能夠很好地解釋生物酶中酪氨酸與色氨酸之間的長(zhǎng)程電子轉(zhuǎn)移，為我們進(jìn)一步理解蛋白質(zhì)長(zhǎng)程電子轉(zhuǎn)移提供有價(jià)值的信息。 （5）蛋白質(zhì)中電子空穴遷移的中繼站本論文的另一個(gè)重大貢獻(xiàn)就是對(duì)蛋白質(zhì)電子空穴有效傳遞的解釋，我們提出了在蛋白質(zhì)中凡是能夠

16、產(chǎn)生氧化還原勢(shì)較低的區(qū)域都可能發(fā)揮空穴轉(zhuǎn)移的中繼站的功能，促進(jìn)蛋白質(zhì)內(nèi)電子轉(zhuǎn)移，這些區(qū)域包括一些弱相互作用結(jié)構(gòu)和構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要形式α-螺旋的尾部。由于以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)在一系列的生命過程中扮演著十分重要的角色，因此電子空穴沿著肽鏈骨架的遷移已經(jīng)是當(dāng)今科研工作者最感興趣的課題之一。最近，更多的工作表明一些特殊的弱相互作用可以擔(dān)任化學(xué)和生物氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移通道，這種弱相互作用包括孤電子對(duì)與π體系、π體系與π體系、陽(yáng)離子與π

17、體系、陰離子與π體系、氫鍵和兩中心三電子鍵相互作用。 另外，構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要形式α-螺旋的尾部區(qū)域也很容易形成電子空穴傳遞的中繼站。我們對(duì)此做了系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)隨著α-螺旋的增長(zhǎng)，它們的尾部區(qū)域的電離能越低，越容易失掉一個(gè)電子被氧化形成電子空穴，當(dāng)α-螺旋的蛋白質(zhì)殘基大于8個(gè)時(shí)，它們尾部的電離能小于色氨酸側(cè)鏈的電離能。不僅如此，我們也考慮真正的蛋白質(zhì)環(huán)境下在尾部出現(xiàn)螺旋帽的情況，研究表明不同的螺旋帽會(huì)不同程度地影響α-螺旋尾部